碳纤维增强复合材料低速冲击损伤的数值模拟研究

摘要

复合材料层合板由于其比强度高、比刚度高、可设计性强，在航空、航天领域已得到广泛的应用。但是层合板对低速冲击非常敏感，低能量物体的冲击一般会在层板内部造成诸如纤维断裂、基体破坏、层间分层等损伤，这些损伤导致结构承载能力和结构使用寿命的大幅下降，对结构的安全使用构成潜在的威胁。因而，对复合材料结构的冲击响应和损伤问题的研究具有重大的意义和应用价值。
　　本文利用ANSYS/LS-DYNA有限元仿真平台，采用复合材料损伤材料模型和薄壳单元建立了复合材料层合板低速冲击的有限元模型。在该模型中，薄壳单元用来模拟分析层合板子层的基体和纤维损伤，并对已损伤的单元进行相应的刚度折减;对于层合板的层间损伤，采用节点约束失效方法来预测分层损伤。通过仿真结果和实验数据的对比显示，模拟预测的损伤形状和损伤面积与实验结果基本一致，从而验证了本文仿真方法的可行性。
　　本文还基于所建立的有限元数值仿真模型，研究了不同能量冲击下层板的损伤及动态响应，并对铺层次序对层板冲击的影响进行了分析，讨论了主要损伤模式产生的机理和损伤的动态扩展规律。

目录

摘要

注释表

第一章 绪论

1．1 研究目的和意义

1．2 复合材料低速冲击损伤的国内外研究现状

1．2．1 复合材料层合板低速冲击损伤的实验研究

1．2．2 复合材料层合板低速冲击损伤的理论研究

1．3 本文研究的主要内容

第二章 复合材料层合板低速冲击损伤分析方法

2．1 引言

2．2 单层板的基本理论

2．2．1 单层板材料的本构

2．1．2 单层板的强度理论

2．3 经典层合板理论

2．3．1 基本假设

2．3．2 经典层合板本构

2．4 复合材料层合板冲击损伤机理

2．4．1 冲击现象及影响因素

2．4．1 复合材料层合板的冲击损伤模式

2．5 复合材料层合板失效判据

2．5．1 子层损伤判据

2．5．2 层间分层判据

2．6 失效单元的参数退化

2．7 复合材料层合板冲击动力学方程

第三章 复合材料层板低速冲击的有限元建模及算法基础

3．1 引言

3．2 有限元理论及ANSYSY／LS-DYNA概述

3．2．1 有限元理论简介

3．2．2 ANSYSY／LS-DYNA概述

3．3 显式有限元算法

3．4 冲击过程中的接触算法

3．5 单元类型及材料模型

3．5．1 LS-DYNA中适用于壳板结构的单元类型

3．5．2 复合材料层合板低速冲击模型中的材料模型

3．6 低速冲击的复合材料模型的建模

3．6．1 有限元模型

3．6．2 约束条件

3．6．3 接触定义

3．6．4 时间控制

第四章 复合材料层合板的低速冲击损伤的算例分析

4．1 引言

4．2 冲击过程中层合板的损伤分析

4．2．1 (04／904)s层合板低速冲击损伤分析

4．2．2 (02／±452／902)s层合板的低速冲击损伤分析

4．3 冲击过程中的动态响应分析

4．4 不同的铺层角度层合板低速冲击的应力分析

4．5 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 全文总结

5．2 展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文